江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 朱 科 周 輝 李曉陽(yáng)

1.引言

在移動(dòng)通信系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于終端位置不斷發(fā)生變化，傳播環(huán)境復(fù)雜多樣，造成電波傳播具有多樣性和復(fù)雜性，因而建立在嚴(yán)格理論計(jì)算上的確定性模型很難實(shí)現(xiàn)。目前傳播模型一般通過(guò)電磁理論推算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式獲得，即針對(duì)各個(gè)地市不同的地理環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)分析與計(jì)算等手段對(duì)傳播模型的參數(shù)進(jìn)行校正，以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而獲得符合本地市實(shí)際環(huán)境的無(wú)線傳播模型。

在10年我公司進(jìn)行3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，為了得到準(zhǔn)確的傳播模型，我們?cè)谀车厥刑暨x了幾個(gè)典型的地點(diǎn)進(jìn)行了傳播模型的測(cè)試與校正工作，得到了包括城區(qū)商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)，城郊等3種地形下的傳播模型參數(shù)，利用得到的模型，我們進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)的仿真，以幫助我們進(jìn)行3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃工作，本文正是基于該次的傳播模型校正的情況進(jìn)行論述。

2.3G無(wú)線傳播模型

傳播模型表征的是在某種特定環(huán)境或傳播路徑下電波的傳播損耗情況。其主要研究對(duì)象是傳播路徑上障礙物陰影效應(yīng)帶來(lái)的慢衰落影響。在傳播模型研究方面主要有如下兩種流派：直接應(yīng)用電磁理論計(jì)算的確定性模型，基于大量測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型，又稱為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1]。

在3G系統(tǒng)的2.1G核心頻段上，通常使用的經(jīng)典模型有Cost231、射線跟蹤等。從精確程度看，射線跟蹤是最接近實(shí)際情況的，但由于它對(duì)數(shù)字地圖的高精度要求，無(wú)法大規(guī)模普及，本文選用的是標(biāo)準(zhǔn)傳播模型（SPM）。

2.1 理論分析方法的研究

射線跟蹤模型基于3D數(shù)字地圖，充分考慮建筑物的特征和分布對(duì)信號(hào)傳播的影響，通過(guò)理論計(jì)算得出每一點(diǎn)上的接收信號(hào)強(qiáng)度。因此，根據(jù)射線跟蹤模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，可以精確地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并有效地控制干擾。建立步驟如下：

首先確定一個(gè)發(fā)射源的位置，根據(jù)3D地圖上建筑物特征和分布，找出發(fā)射源到每個(gè)接收位置光線的所有傳播的路徑，并根據(jù)各種的無(wú)線傳播理論公式進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接收?qǐng)鰪?qiáng)，由于該模型要求的數(shù)字地圖很高，需要帶詳細(xì)建筑信息的三維數(shù)字地圖，對(duì)于算法要求非常嚴(yán)格，一般甚少使用。

2.2 實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)方法

實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)的方法就是基于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的傳播模型，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法，并利用計(jì)算機(jī)規(guī)劃軟件進(jìn)行輔助計(jì)算，修正模型的各個(gè)參數(shù)，得到不同地形下的模型參數(shù)，其中，這里的試驗(yàn)測(cè)試，主要是指CW(連續(xù)波)測(cè)試。而傳播模型最常用的是標(biāo)準(zhǔn)宏小區(qū)(Standard MacroCell Model)傳播模型。

2.3 Standard MacroCell Model

標(biāo)準(zhǔn)宏小區(qū)(Standard MacroCell Model)傳播模型以ETS的Hata模型為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)之上添加了一些額外的功能，從而增強(qiáng)了模型的靈活性和精確性，模型為宏小區(qū)設(shè)計(jì)。

模型公式為：

Ploss=k1+k2log(d)+k3(Hms)+k4 log(Hms)+k5log(Heff)+k6log(Heff)log(d)+k7diffn+Clutter_Loss

其中：Ploss傳播路徑損耗(dB)；d是基站到移動(dòng)站之間的距離(km)；Hms是移動(dòng)站天線有效高度(m)；Heff是基站天線的有效高度(m)；Diffn是使用Epstein Peterson、Deygout或Bullington的等效刃形衍射方法計(jì)算的衍射損耗；k1 & k2：截距和斜率；K3：移動(dòng)天線的高度因數(shù)；K4：Hms的Okumura Hata的Multiplying Factor；K5：有效天線高度增益；K6：Log(Heff)Log(d)。這是log(Heff)log(d)值的Okumura Hata類型的Multiplying Factor；K7：衍射系數(shù)；Clutter_Loss：地物損耗參數(shù)。

3.傳播模型校正流程

一般取用CW測(cè)試來(lái)進(jìn)行模型的校正，CW測(cè)試是通過(guò)連續(xù)波，采用全向天線發(fā)射信號(hào)，接收機(jī)在服務(wù)區(qū)內(nèi)各個(gè)方向的道路上進(jìn)行測(cè)試，以得到不同方向、距離的場(chǎng)強(qiáng)值，CW測(cè)試模型校正工作流程如圖1所示。

(1)測(cè)試工具

測(cè)試工具主要是用來(lái)發(fā)射和采集模型校正所需要的原始數(shù)據(jù)，包括信號(hào)發(fā)射部分和接收部分，信號(hào)發(fā)射部分一般放置在位置相對(duì)較高的地方及放置在測(cè)試區(qū)域的中心地點(diǎn)，其中本次測(cè)試的發(fā)射單元選取了上海諾恩科技公司的WHT2005測(cè)試發(fā)射機(jī)，接收單元NORN LiteScan掃頻儀2005，其他還有電腦，GPS，接收機(jī)，車載電源，hub，逆變器，車載電源一拖二，前臺(tái)測(cè)試軟件，加密狗等必要工具。

(2)測(cè)試基站/路線制定

根據(jù)地形地貌特征選擇典型地點(diǎn)作為測(cè)試基站，安裝發(fā)射設(shè)備，根據(jù)站點(diǎn)周圍的地理環(huán)境制定測(cè)試路線，對(duì)于測(cè)試基站設(shè)置的個(gè)數(shù)，一般在人口稠密的城市，測(cè)試站址應(yīng)不少于5個(gè)，中等規(guī)模的城市選取2－3個(gè)，中小城市及郊區(qū)1個(gè)就夠了。對(duì)于測(cè)試路線，為了足夠的采樣數(shù)據(jù)，在市區(qū)一般測(cè)試要求達(dá)到10公里左右的距離，在郊區(qū)一般在15Km到20Km。由于無(wú)線電波在離發(fā)射天線很近的地方無(wú)法用公式模擬，只是用一固定衰減值，所以在測(cè)試中離發(fā)射天線很近的地方(一般是0.5Km-1Km)不需要做大量測(cè)試。本次某地市傳播模型的校正共進(jìn)行了三個(gè)地點(diǎn)的測(cè)試，主要如下(見(jiàn)表1)。

(3)無(wú)線測(cè)試

根據(jù)所選擇的測(cè)試站點(diǎn)和測(cè)試路線進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的采集。

圖1 CW測(cè)試模型校正工作流程圖

(4)測(cè)試數(shù)據(jù)的后處理

測(cè)試結(jié)束后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，該項(xiàng)工作是傳播模型校正的核心，一般都是依靠計(jì)算機(jī)的規(guī)劃軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，本次是使用了軟件是百林規(guī)劃軟件[2]。

(5)傳播模型參數(shù)修正

通過(guò)百林軟件平臺(tái)，利用Standard MacroCell Model模型[3]進(jìn)行了模型優(yōu)化，給出適合某地市各種地形環(huán)境下的無(wú)線傳播模型。

(6)報(bào)告輸出

對(duì)整個(gè)工作內(nèi)容提交報(bào)告。

4.參數(shù)校正

4.1 K2校正

K2是與頻率相關(guān)的因子，在校正的過(guò)程中一般采用先校正K2再反過(guò)來(lái)對(duì)K1進(jìn)行校正。

4.2 K1的校正

K2校好后可，則此時(shí)圖中的intercept即為K1的偏差（實(shí)際應(yīng)為[K1+K3(Hms)+K 4log(Hms)+K5log(Heff)+K7diffn]的偏差，但可先假設(shè)K3(Hms)+K4log(Hms)+K5 log(Heff)+K7diffn]為常數(shù)，則此就為K1的偏差），將原K1值加上intercept即得K1的校正值。也可以用Analyse功能得到此偏差值

4.3 K3、K4的校正

K3、K4與移動(dòng)臺(tái)天線高度相關(guān)的因子，該值對(duì)傳播模型的影響一般不大，可以取缺省值，一般可取-2.93和0.00。K3、K4的變化可由K1來(lái)彌補(bǔ)，因此一般取了缺省值后，就可以無(wú)需調(diào)整。

4.4 K5、K6的校正

K5、K6與基站天線高度相關(guān)。該值也與K3、K4值一樣，可以取缺省值，K5、K6的變化可以通過(guò)K1、K2的變化來(lái)代替其變化的影響，因此一般也無(wú)需調(diào)整，一般取缺省參數(shù)設(shè)置-13.82和-6.55。

4.5 K7的校正

K7為衍射系數(shù)，表示衍射損耗對(duì)整個(gè)路徑損耗貢獻(xiàn)的權(quán)重。因?yàn)檠苌渲粚?duì)非視線傳播范圍內(nèi)的樣點(diǎn)有效，對(duì)視線傳播范圍內(nèi)的樣點(diǎn)衍射損耗為0，對(duì)于K7值，如果地形起伏不大，一般建議保留值為0。

4.6 Clutter offset的調(diào)整

該值主要是對(duì)于各種地形的調(diào)整系數(shù)，對(duì)于該值，一般也是取缺省的值，對(duì)于每種地形的情況的取值詳見(jiàn)表2。

5.測(cè)試案例

本部分我們介紹其中一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的情況，我們以某地市火車站作為了一個(gè)測(cè)試的例子，其中：

5.1 測(cè)試基站－火車站－周圍的照片(詳見(jiàn)圖2)

5.2 測(cè)試路線的選擇

選擇測(cè)試路線的主要原則是獲取充足的采樣點(diǎn)，盡量保證從統(tǒng)計(jì)意義上反映各種測(cè)試地形的真實(shí)情況。如圖3為火車站的測(cè)試路線場(chǎng)強(qiáng)圖。

圖2 測(cè)試基站－火車站－周圍的照片

表1 某地市傳播模型的校正三個(gè)地點(diǎn)的測(cè)試

表2 每種地形的情況的取值

圖3 火車站的測(cè)試路線場(chǎng)強(qiáng)圖

表3 傳播模型校正結(jié)果

圖4 模型校正前的預(yù)測(cè)與預(yù)測(cè)的循環(huán)播損失對(duì)比

表4 本次傳播模型測(cè)試和校正的結(jié)果

圖5 分析模型校正后的傳播損失誤差統(tǒng)計(jì)圖

5.3 模型校正前的預(yù)測(cè)與預(yù)測(cè)的循環(huán)播損失對(duì)比（詳見(jiàn)圖4）

從圖4中我們可以看出模型校正后預(yù)測(cè)與路測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際值吻合度明顯提高，這說(shuō)明通過(guò)校正后的模型與實(shí)際的傳播環(huán)境匹配度大大提高，模型的可用性和精準(zhǔn)度增加。

從圖5中我們可以看出校正后模型的傳播損失誤差在5dB以內(nèi)的約為80%，這說(shuō)明模型擬合的精度較高，此模型在絕大多數(shù)情況下可以近似代表某地市城區(qū)實(shí)際的傳播環(huán)境。

6.傳播模型的校正結(jié)果

經(jīng)過(guò)分析及規(guī)劃軟件的處理后，本次傳播模型測(cè)試和校正的結(jié)果如表3、表4所示。

7.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某地市3個(gè)地點(diǎn)3種地形的測(cè)試，我們得出了一組某地市不同地形下的傳播模型的參數(shù)，該參數(shù)可以指導(dǎo)我們下一步的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的仿真工作。

但是應(yīng)該要補(bǔ)充的，對(duì)于以上各種地形得出的傳播模型不是唯一的，對(duì)于一個(gè)模型我們只能說(shuō)是該模型是否適用，而不能說(shuō)規(guī)定使用唯一的模型，因?yàn)椴煌姆抡孳浖虿煌淮蔚姆抡娴玫降哪Ｐ投伎梢允遣灰粯?，模型中各參?shù)之間一個(gè)聯(lián)動(dòng)的結(jié)果，我們所說(shuō)的模型的準(zhǔn)確性是指校正所得的模型和實(shí)際測(cè)試環(huán)境的擬和程度，通常這種擬和程度用校正后的參數(shù)來(lái)評(píng)估。目前業(yè)界普遍認(rèn)為當(dāng)RMS Error（指模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果之間的均方誤差）＜8時(shí)，則說(shuō)明所校正模型是貼和實(shí)際環(huán)境的，即該模型校正的結(jié)果是準(zhǔn)確的，可以用做網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)候使用。同時(shí)，因?yàn)椴煌囊?guī)劃軟件其內(nèi)部算法是有差異的，為此，在使用不同的規(guī)劃軟件進(jìn)行仿真時(shí)，要是有條件，建議能重新做一個(gè)模型校正，以得出新的模型。

[1]蔣招金.3G無(wú)線傳播模型校正[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2006.5(5):24-27.

[2]百林網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件用戶手冊(cè)[S].

[3]李世鶴.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:人民郵電出版社,2004.9:119.